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弗吉尼亚理工大学《Science Advances》:3D打印仿生章鱼吸盘的水下黏附功能材料

弗吉尼亚理工大学《Science Advances》:3D打印仿生章鱼吸盘的水下黏附功能材料

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-08-01 10:00
  • 访问量:

【概要描述】 一直以来,人类在水下环境作业抓取问题都具有很大难度。救援潜水员、水下考古学家、桥梁工程师和打捞人员都需用他们的双手从水中提取物体。

弗吉尼亚理工大学《Science Advances》:3D打印仿生章鱼吸盘的水下黏附功能材料

【概要描述】 一直以来,人类在水下环境作业抓取问题都具有很大难度。救援潜水员、水下考古学家、桥梁工程师和打捞人员都需用他们的双手从水中提取物体。

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-08-01 10:00
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      一直以来,人类在水下环境作业抓取问题都具有很大难度。救援潜水员、水下考古学家、桥梁工程师和打捞人员都需用他们的双手从水中提取物体。而人手握住光滑物体的能力较弱,必须使用更大的力。并且人类并非天生具备适应水下环境的条件,水下所用的呼吸气瓶,氯丁橡胶保护服和护目镜,都使得在水中抓取物体变得异常困难。因此,对水下物体表面的牢固且可逆的附着一直是一项重大的科技挑战。

      对于解决上述问题,自然界中往往更容易找到答案。有许多生物体的例子,它们已经发展出在潮湿或水淹没的环境中产生强烈依附的能力;如贻贝、青蛙、章鱼等······章鱼这种头足类动物使用吸盘产生粘附力和吸力,其抓手的粘合剂是可逆的,可以快速激活附着,并且可以在干燥和潮湿条件下在不同的基材上实现粘合,因此对水下抓握特别有吸引力。

      在2020年浙大研究人员受章鱼吸盘启发开发出了500毫秒超快“开关”智能粘合剂。近日,弗吉尼亚理工大学Michael D. Bartlett教授团队又介绍了一种受章鱼吸盘启发的3D打印新型仿生神经系统,该系统由可切换的粘合元件组成,并结合感官系统、处理和控制来实现粘合的自主激活和释放。能够在几毫秒内检测到物体并自动开启粘附反应。这种3D打印的粘性皮肤可应用于可穿戴的抓手上,实现在水下环境中轻松抓取物体。

 

【3D打印受章鱼启发的可切换粘合剂】DLP 3D打印PDMS创建受章鱼启发的水下粘合剂系统,由可切换的粘合剂元件以及用于自主粘合剂激活和释放的感觉系统、处理和控制组成(图 1)。粘合剂元件由一个柔顺的硅胶杆组成,上面覆盖着一层柔软的气动薄膜,以控制粘附力。这些粘合元件与一系列微光检测和测距(LIDAR)光学接近传感器以及用于实时物体检测和粘合控制的微控制器紧密集成。这种紧密集成的系统模仿了神经系统,使系统能够智能控制多个粘合元件,从而在干燥和潮湿的环境中实现灵巧的操作。这种受章鱼启发的机制使水下粘合应力大于60 kPa,从ON到OFF状态的粘合剂切换比超过450倍(图1)。可逆性在多个周期内得到证明,从完全开启状态到释放/关闭状态的快速切换时间 <50 ms。在非理想条件下提供可靠的粘合。

 

图1:受章鱼启发的可切换、感应水下粘合剂。

 

【3D打印的粘性皮肤用于水下作业】受章鱼启发的粘合元件与传感皮肤紧密结合,形成一种可穿戴手套,用于自主粘合控制和灵活操纵水下物体,如图所示。手套的每个手指都由一个有源粘合元件和用于接近检测的微型激光雷达光学传感器组成。如果物体在感应范围内,则会发送数字信号以激活螺线管控制的气动装置,从而快速激活粘合元件。通过控制对象检测的接近范围和选定传感器组的启动时间,可以实现不同的粘合剂激活模式。传感皮肤和粘合元件都在水下发挥作用,使可穿戴手套能够在水下操纵各种物体。这些物品包括金属玩具车、圆柱形橡胶胶带、塑料勺的双弯曲凸面部分和超软水凝胶球,展示了在硬质和软质材料上对平面、圆柱形、凸面和球形表面的附着力。

 

图2:3D打印的智能粘性皮肤用于水下作业。

 

【结论】通过将传感、处理和控制与可快速切换的粘合剂紧密集成,推出了一种受章鱼启发的水下操纵系统。这是通过3D打印PDMS粘合剂实现的,该粘合剂可以快速(<0.1 秒)将粘合力从ON状态切换到OFF状态,并且能够在多个循环中重复使用。这些能力模仿了头足类动物的高级操纵、传感和控制,并为能够操纵各种水下物体的水下粘性皮肤的增材制造提供了一个平台。

相关的研究工作以“Octopus-inspired adhesiveskins for intelligent and rapidly switchable underwater adhesion”为题,发表《Science Advances》上。

 

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905

 

 

 

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